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物理学家告诉你走近量子纠缠(6):帮倒忙的贝尔
(科学网张天蓉博客,收藏有删减)

​                    走近量子纠缠(6)帮倒忙的贝尔
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量子纠缠态近年来宏图大展源于实验中的不断突。这个突破起始于英国物理学家约翰·斯图尔特·贝尔的著名 “贝尔不等式”,将爱因斯坦EPR佯谬的思想实验推进到真实可行的物理实验
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量子论的理论研究只是贝尔的业余爱好。他多年供职于欧洲高能物理中心(CERN)做加速器设计工程的有关工作,只能利用业余时间来研究理论物理,正是这一业余研究使贝尔留名于物理史。

对EPR佯谬,当时波尔写文章回击爱因斯坦等人的质疑,世纪争论似乎平息,哥本哈根诠释成为量子论的正统解释。由于问题是出在两大巨头不同的哲学观上,便引不起多少人的兴趣。在科技不断进步、量子论取得成功下,人们照样每天早上看到太阳从东方升起,谁也未见到波函数如何塌缩。当然,也总是有那么一些脑袋停不下来的理论物理学家,仍然在冥思苦想:如何解释量子论中诡异的相干或纠缠?爱因斯坦坚持的是一般人都具备的经典常识,波尔更执着于微观世界的观测结果。有人总想找出别的办法既能照顾到爱因斯坦的“经典情结”,又能导出量子论的结论。这其中,支持度较多的有“多世界诠释”和“隐变量诠释”。

    借用薛定谔的猫来简述“多世界诠释”:两只猫都是真实的,一只活猫和一只死猫,但它们位于不同的世界中。当我们向盒子里看时,整个世界立刻分裂成它自己的两个版本。这两个版本在其余的各个方面都是全同的,唯一的区别在于其中一个版本是原子衰变了,猫死了;而在另一个版本中,原子没有衰变,猫还活着。惠勒、霍金、费曼、温伯格等都在一定的程度上支持“多世界诠释”。实际上这种观点目前已经代替'哥本哈根诠释’,成为了量子论解释的主流派。但当初爱因斯坦并不喜欢它,曾经诙谐地说:“我不能相信,仅仅是因为看了一只老鼠一眼,就使得宇宙发生剧烈的改变!”量子力学只涉及到微观粒子,大可不必牵动整个宇宙,这其中的诡异性恐怕比哥本哈根诠释有过之而无不及。但贝尔热衷的是“隐变量”的问题。
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抛硬币遵循确定的力学规律,它之所以表现出随机性,是因为我们不了解硬币从手中飞出去时的详细信息,亦即我们放弃了一些“隐变量”,如硬币飞出时的速度、方向、加速度等。如果忽略外界影响,把这些隐变量全都计算进去,就可以说抛硬币掉下来的状态是在离开手掌的那一刻就决定了的。
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贝尔想,爱因斯坦提出的EPR佯谬是否也是因为我们忽略了某些隐变量的原因?既然两个互相纠缠的粒子被测量到的那一刹不可能瞬时超距地传递信息,那么它们被测之前的互相分开状态就应该是已经决定了。这与我们掷硬币的情形类似,而不是像波尔所认为的那样测量时才临时随机选择塌缩。贝尔的目的是要支持爱因斯坦,办法就是研究潜藏着的隐变量。
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可是,贝尔一开始就碰到了高手:早在1932年,冯·诺依曼的著作《量子力学的数学基础》已为量子力学提供了严密的数学基础,其中捎带着做了一个隐变量理论的不可能性证明。要从数学上着手,贝尔是找不到隐变量的。
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冯·诺依曼可谓天才神童,计算机之父,一言既出,二十年内无人问津量子论的隐变量理论。好在贝尔碰到这堵高墙的时候,前面已经有人为他开路:上世纪50年代,美国物理学家戴维·玻姆对“冯·诺依曼的隐变量不可能性证明”提供了一个实际的反例,而且玻姆还将原来EPR论文中非常复杂的测量位置和动量的实验,简化成了测量“电子自旋”的实验。

    贝尔虽然是'业余’理论物理学家,却有敢摸老虎屁股的精神。他仔细研究了冯·诺依曼有关“隐变量不可能性证明”的工作后,找出了大师在数学和物理的交接之处有一个小小的漏洞。在诺依曼的证明中有一个假设:“两个可观察量之和的平均值,等于每一个可观察量平均值之和。”贝尔指出,如果这两个观察量互为共轭变量,也就是说,当它们满足量子力学中的测不准原理的话,这个结论不正确。然而,贝尔万万没料到,他最终帮了爱因斯坦的倒忙,反过来证明了量子力学的正确性!

【贝尔是在1965年才指出冯·诺依曼的错误的。其实,早在1935年,有一个鲜为人知的德国女数学家格雷特·赫尔曼就指出了天才数学大师的这点失误。赫尔曼是“代数女皇”,著名数学家艾米·诺特在阿根廷大学的第一个学生。她早期对量子力学的数学哲学基础作了重要的贡献。1935年,格雷特在一篇文章中提出对冯·诺依曼有关'隐变量不可能性证明’的驳斥。但遗憾的是,此文长期被忽略,直到贝尔1964年再次提出这点之后,又过了10年的1974年,格雷特的原文才被另一个数学家Max Jammer发掘出来,为这位默默无闻的数学家正名。由此可见,名人的威力是何等之强大啊。第二次世界大战开始后,格雷特·赫尔曼积极参与反纳粹组织的各种活动,也不再涉猎数学和物理,而是将她的人生兴趣转向了政治。】

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